数字电网工程三维可视化及辅助评审应用研究

董鉥涛 穆瑞芳 张建广 孙孟昊 王向上 李春林

（北京洛斯达科技发展有限公司，北京 100120）

当前输变电工程三维设计成果质量把关主要采用二维设计审查为主，工作依托的审图系统主要功能为文件管理和工作流的管理。为推进输变电工程设计工作的数字化转型，着力推进电网全方位、全过程的数字化建设，构建覆盖规划、建设、运维等领域的数字电网平台，迫切需要进行工程三维辅助评审工具的研究和开发。而现阶段的三维审图系统仍属于摸索阶段。电网企业发布的指导文件作为参考，着力进行三维设计深化应用的研究，但距离三维可视化评审模式的确定还存在一定差距[1]。

本文采用理论与实践相结合的研究方式，从输变电工程三维评审实际需求出发，基于GⅠM自动化审图方法及应用研究，以全业务统一数据中心的电网地理信息、设备状态、竣工图等大数据为基础，分步开展审图支撑信息库研究，三维设计模型智能辅助审图研究。提出了数字电网工程三维可视化及辅助评审应用研究的建设内容、总体设计和技术手段以及系统相关的应用情况，为开展数字电网工程辅助评审的建设提供指导。

1 建设内容

1.1 GⅠM成果数据管理

工程文件中包含各设计阶段的工程地理信息数据、三维设计模型和文档资料，如图1 所示。

图1 GⅠM 成果数据管理

数据导入前，根据GⅠM格式注意事项和关键点，对GⅠM数据进行数据校对，以保证数据的完整性和规范性；通过读取、解析各个设计阶段成果数据、工程各类成果资料及基础地理数据模型，导入并对相关数据进行可视化管理。

通过将工程相关成果数据存储于轻量级数据库中，实现工程各类三维模型、参数信息、图纸、设计文件、关联档案的管理与维护。将工程相关成果数据转换为系统支持的格式，依次按照专业、卷册、图纸展示文件目录结构整理档案文件，提供以树形结构的方式显示三维模型中的工程卷册文件结构图的方式，最终实现模型与图纸资料关联对应，空间查询管理档案的目的。

1.2 工程成果可视化展示

采用工作平台进行输变电工程的可研阶段选线工作，利用GⅠS 技术。

1.3 三维辅助评审设计

三维辅助评审模块辅助开展针对工程三维可视化成果的评审工作，针对工程数据完整性、模型质量、材料量统计、设计成果正确性等开展检查和验证并输出相关结果文档。

1.3.1 GⅠM文件标准化校验

GⅠM文件标准化校验功能实现对提交的工程成果数据进行文件完整性、标准化校验监测并出具校验结果和校验文档，提供工程成果提交单位进行整改。功能模块结合国家电网公司最新发布的《输变电工程三维设计模型交互规范》进行工程GⅠM文件检查，实现工程文件导入、完整性检查、校验结果导出功能。实现将提交的工程GⅠM文件打包导入并进行校验，针对校验结果，提示检验合格、致命错误、严重错误、一般错误，针对校验问题给出提示并输出校验结果供成果提交方进行整改。

1.3.2 三维模型校验

数学竞赛中的问题专业、抽象并且难度较大，所以就促使其具有一定的趣味以及教育性。在准备使用图论时，首先要先掌握图论的使用原理、方法以及使用过程中存在的问题以及问题的解决方法。在竞赛中使用图论能增强学生对书本上知识的理解，从而简单方便的解决社会活动中存在的各种问题，不仅培养学生分析问题的能力，还培养他们通过分析问题，扩散思路，从而提高解决问题的能力。针对教师，用一些教育软件以及教育案例融入到教学中，不仅可以提高教师的教学水平，还可以提高学生对知识的清晰度和掌握能力。参加一场数学竞赛，通过事前的准备及学习，学生们可以学到很多书本上以及生活中常见的解决问题的方法。

三维模型校验实现针对提交的工程三维模型进行校验，结合《输变电工程三维设计模型交互规范》中输电部分三维设计模型文件存储格式、属性信息、几何信息等进行检测，对模型文件缺失、建模深度不足、文件格式错误等进行提示并输出校验结果文档供模型提交方进行整改。功能模块包括三维模型导入、模型检测、校验成果输出功能。

1.3.3 设备及材料量统计

设备及材料量统计结合提交的三维设计成果开展设备及材料量统计，通过解析变电站（换流站）、杆塔、绝缘子串等模型关联的材料、设备、附属设施等文件，以及解析设计模型属性表，对三维模型涉及的设备及材料量进行计算统计，并提供一键输出功能针对统计成果进行结果文档输出。辅助开展工程设备、材料量统计评审。

1.3.4 工程三维校验

工程三维校验功能实现了对工程数据的各类计算校验，结合工程三维设计成果，实现导线相间距离校验、对地安全距离校验、交叉跨越线间距离校验、间隙校验以及可视化查看等功能，并提供输出功能支持校验报告生成，对校验不通过的位置进行重点标识与提示，辅助开展对三维设计成果的检验与评审。

2 总体设计

在软件工程思想和GⅠM标准规范的指导下，以计算机技术、地理信息系统技术、BⅠM 技术、数据库系统技术、遥感技术、三维显示技术、海量数据调度技术等为基础进行项目建设。整个系统的开发构架于.Net Framework 基础之上，采用Microsoft Visual Studio 作为集成开发环境进行实现，利用Microsoft Enterprise Library 访问关系型数据，采用NSCGlobe实现三维输电线路展示和采用Unity3D 引擎实现变电站（换流站）场景展示，利用MVP 框架控制人机交互逻辑，在此基础上搭建数字电网工程辅助评审平台，管理、评审用户在客户端实现对全省电网工程数据的批量显示、无级缩放、检索查询和管理，从而实现三维设计成果数字化评审与应用[4]，见图2。

图2 系统技术架构图

3 技术手段

3.1 参数化图元建模技术

图3 参数化图元快速建模

3.2 三维场景快速加载与渲染技术

电网工程三维评审中三维数据和地理数据种类繁多，包含参数化模型、ⅠFC 模型、航空影像数据、DEM数据等。其中ⅠFC 模型数据量高达2-4G，模型组装后的整站模型数据粒度细并且结构复杂，因此为了保证系统能够快速高效加载大批量电网设备模型，系统采用四叉树的模型渲染技术，为电网三维实体模型建立空间索引，提高模型渲染效率，同时采用先进的LOD 技术，在不影响视觉效果的情况下降低数据复杂程度和ⅠO 吞吐量，从而更好的提高多面体数据的访问和渲染效率，最终实现整个工程的高效快速渲染。

3.3 多源海量数据存储与管理技术

为了实现影像数据信息的实时显示和高速服务，需要对影像数据进行有效的存储管理；并且对原始的数据生成影像金字塔，并根据不同的显示要求调用不同分辨率的影像。影像金字塔结构的不同层具有不同分辨率的特点，在对影像数据浏览时，需要根据当前显示的分辨率抽取相应金字塔层的数据，以实现影像数据的快速浏览。同时为了提高检索显示区涉及的影像块的速度，必须对影像块创建高效索引。若分层数据以2 倍率抽，则采用线性四叉树的结构建立索引是一种合理的方案。线性四叉树是基于四叉树索引基础上提出的，通过节点编码建立节点间的关联，从而摆脱了传统四叉树索引链式结构带来的冗余信息。

3.4 三维设计辅助电力评审技术

为了实现影像数据信息的实时显示和高速服务，需要对影像数据进行有效的存储管理；并且对原始的数据生成影像金字塔，并根据不同的显示要求调用不同分辨率的影像。影像金字塔结构的不同层具有不同分辨率的特点，在对影像数据浏览时，需要根据当前显示的分辨率抽取相应金字塔层的数据，以实现影像数据的快速浏览。同时为了提高检索显示区涉及的影像块的速度，必须对影像块创建高效索引。若分层数据以2 倍率抽，则采用线性四叉树的结构建立索引是一种合理的方案。线性四叉树是基于四叉树索引基础上提出的，通过节点编码建立节点间的关联，从而摆脱了传统四叉树索引链式结构带来的冗余信息。

4 系统应用情况

本文主要开展了三维可视化及辅助评审应用方法的研究及应用，成果将基于GⅠM 的三维可视化及辅助评审，以提高三维审图的质量和效率为目标，强化能力提升，突出核心业务，进一步规范设计监理业务，用信息化手段固化审图流程，提供智能化审图技术，为三维设计审查提供技术辅助手段。全面提升电力工程三维审图的工作效率与质量，拓展数字化设计成果应用，为实现数字电网奠定基础。

经济效益方面，本课题的研究解决了目前现场没有专业软件可以查看三维设计成果的问题，通过使用统一的数字化移交数据，可有效解决各系统间信息孤岛问题，并通过完备的移交机制，保证数据准确，避免因数据不一致、遗漏，为开展三维工程评审提供了必要条件。

社会效益方面，三维可视化及辅助评审系统的开发积极响应国网关于号召开展“数字国网”建设的战略，提高了公司的工程数据管理及优秀工程经验推广能力。同时还将为公司带来良好的示范效应，对于提升企业形象，扩大社会影响有着积极的意义。

结束语

本文提出的平台建设的研究，是基于对输电线路通道设计的经验积累以及多个类似规模信息化共享平台项目建设的历史经验上，综合了成本、技术成熟度、未来扩展性等因素，结合电力公司信息化的客观实际，形成的研究成果。在平台主体框架上，采用了主流成熟的技术手段，而在设计阶段的专业领域中，又引入了前沿先进的激光点云及数据后处理技术，为今后输电工程建设提供了宝贵的借鉴经验。